2016—2020年鄭州市空氣質量變化特征分析

閆桂麗,劉兵戈,毛佳琦,田夢杰,楊亞瑞

(浙江大學中原研究院,鄭州 450000)

0 引言

隨著城市化、工業化進程的不斷加快,能源利用在增加,汽車保有量逐年上升,細顆粒物(PM2.5)和可吸入顆粒物(PM10)已成為研究熱點[1]。空氣質量是城市環境質量的重要組成,是城市可持續發展的基礎。《2016—2019年河南省環境質量年報》顯示,河南省首要污染物為PM2.5[2],其黏附大量有害物質,對人體健康產生危害較大。二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳及臭氧是低層大氣中主要的氣體污染物,濃度變化具有明顯的季節性特征。研究污染物的變化特征、了解其成因及影響因素對環境空氣質量的影響有助于改善鄭州市空氣質量,為開展大氣污染防治提供決策支持。

本研究以中國環境監測總站全國城市空氣質量實時發布平臺2016—2020年發布的監測數據為對象,以主要污染物濃度變化為基礎,分析環境空氣質量演變趨勢,以期為改善鄭州市環境空氣質量提供有效的理論支撐。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

鄭州城區現有8個國控環境空氣自動監測點,1個對照點,分別位于市監測站、煙廠、醫學院、鄭紡機、銀行學校、北區建設指揮部、經開區管委會、四十七中、崗李水庫(對照點),監測數據均同步發布于全國城市空氣質量實時發布平臺。PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO、O3數據均來源于此(網址:http://106.37.208.233:20035)。選用的數據時間范圍為2016年1月1日—2020年12月31日,PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO數據均為8個站點的24 h平均值,O3數據為8個站點的日最大8 h平均值(O3-8h max),監測過程中的實時氣象資料包括濕度、氣溫、風速、降雨量數據,來源于河南省氣象局。汽車保有量與能源消耗量統計數據來源于鄭州市統計局(網址:http://tjj.zhengzhou.gov.cn)的《鄭州市國民經濟和社會發展統計公報》。

1.2 研究方法

鄭州市環境空氣質量日評價、年評價主要依據《環境空氣質量評價技術規范》(試行)(HJ 663-2013)、《環境空氣質量標準》(GB 3095-2012)及《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》(試行)(HJ 633-2012)。利用OriginPro 8.5 對6種污染物指標(PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO、O3)濃度進行統計分析,利用SPSS 22.0分析首要污染物PM2.5濃度與風速、PM10濃度與降雨量的相關性,采用OriginPro 8.5進行繪圖。

2 結果分析

2.1 2016—2020年鄭州市整體空氣質量特征

2.1.1 首要污染物分布特征

由表1可以看出,2016—2020年鄭州市環境空氣中首要污染物以PM2.5、O3為主,其次是PM10。其中PM10的占比呈逐年下降趨勢(2019年除外),PM2.5的占比年變化不明顯,但O3的占比呈逐年上升趨勢,說明鄭州市近5年對PM10的防治取得較好效果,PM2.5的治理收效甚微,而O3的污染有加劇趨勢,故需重點加強對O3污染物的防治及PM2.5治理。

表1 鄭州市空氣中首要污染物出現天數占比

2.1.2 空氣質量優良率分布特征

由圖1方形圖可以看出,2016—2020年鄭州市空氣質量優良率分別為43.4%、45.5%、46.0%、48.8%、63.1%。2016—2019年嚴重污染占比2.2%、1.9%、1.6%、0.5%,其中2020年未出現嚴重污染天氣。由圖1折線圖可知,首要污染物PM2.5[2]最高濃度值除2018年略高外,呈逐年下降趨勢,最大值是最小值的2.43倍。雖然以PM2.5為首要污染物的天數年變化趨勢不明顯,但年最高濃度值下降趨勢較明顯,隨著環境治理能力的不斷加強及各項環保政策的實施,環境空氣質量向好。

圖1 2016—2020年不同空氣質量級別占比Fig.1 Proportion of different air quality levels from 2016 to 2020

2.2 2016—2020年環境空氣主要污染物變化分析

2.2.1 PM2.5與PM10月值變化

由圖2可知,污染物PM2.5的最高值出現在2016年12月,為161 μg/m3,最低值出現在2018年4月、2020年8月,為23 μg/m3,最高值為最低值的7倍。除2016年最高值出現在12月外,其余4年最高值均出現在1月。PM2.5月均數值呈U型分布,1月和12月PM2.5濃度值都在80 μg/m3以上,而5—8月PM2.5濃度值都在50 μg/m3以下。可以看出,PM2.5的濃度冬季高于夏季,這可能是由于夏季降雨較多,對PM2.5有沖洗作用,冬季干燥少雨、氣溫低及化石燃料燃燒導致PM2.5濃度上升[3],河南各地春夏大氣擴散能力比秋冬強,冬季大氣過于穩定,不利于顆粒物的擴散。

圖2 2016—2020年PM2.5月平均濃度值Fig.2 Monthly mean concentration of PM2.5 from 2016 to 2020

由圖3可知,污染物PM10的濃度最高值為2016年1月的229 μg/m3,最低值為2020年8月的50 μg/m3,最高值為最低值的4.58倍,5年最高值均出現在1月。而3月出現第二次高峰,這與鄭州市沙塵暴頻發期的時間一致。PM10多來源于揚塵(包括土壤塵沙、施工道路揚塵、機動車尾氣等),而PM2.5多來自于燃料燃燒、工業源及二次離子形成[4],受沙塵暴的影響較小。從圖2、圖3可知,兩者變化趨勢一致。研究表明,PM10主要為一次顆粒物(SO2和NO2的直接貢獻較大),PM2.5主要為二次顆粒物(SO2和NO2的非均相反應氣-粒轉化過程貢獻較大)[5]。刀谞等[6]研究發現,PM10與PM2.5濃度之間有很好的相關性,兩者的污染來源相關,受人為因素及氣候因素的共同影響,季節變化特征相同,表現為冬>春>秋>夏的特點。

圖3 2016—2020年PM10月平均濃度值Fig.3 Monthly mean concentration of PM10 from 2016 to 2020

2.2.2 SO2與NO2月值變化

對SO2各月均值進行統計,繪制曲線如圖4所示,污染物SO2月均值整體呈V型分布,局部來看,1月、2月濃度較高,這是因為冬季取暖過程排放大量污染物,邊界層降低不利于污染物擴散。7月、8月份全年最低,夏季高溫時段,工廠與企業停工,化石燃料消耗減少,降水頻繁,濕沉降作用明顯,導致氣態污染物濃度降低[6]。從時空特征分析,各月月均值呈逐年下降趨勢,2020年SO2各月月均值均低于前4年,可能是由于工業脫硫技術的改進和推廣,與2014年鄭州市完成煤改氣、引熱入鄭、鍋爐拆改等重大民生工程有關。

圖4 2016—2020年SO2月平均濃度值Fig.4 Monthly mean concentration of SO2 from 2016 to 2020

對NO2各月均值進行統計,由圖5可知,NO2月均值全年大體呈V型分布,每年2月出現拐點,可能與春節假期、工廠企業停工及人員車輛流動較少有關,尤其是2020年2月為5年來最低,可能與2020年春節人們外出活動水平大幅度降低有關。NO2濃度呈季節性變化,1月、12月較高,7月、8月濃度較低。NO2源排放強度的季節性變化,如鄭州冬季寒冷需要更多的化石能源消耗烘暖,NO2輸送、停留的大氣環境呈季節性差異,如季風的變化影響NO2輸送。NO2濃度年際變化不大,并沒有因為煤改氣的實施而出現較明顯降低,說明除燃煤外,其他污染源排放的NO2濃度在增加。研究表明,近年來隨著機動車保有量的增加,流動源排放的NO2大于固定源的趨勢在加強[7]。

圖5 2016—2020年NO2月平均濃度值Fig.5 Monthly mean concentration of NO2 from 2016 to 2020

2.2.3 CO與O3月值變化

與SO2主要源自固定污染源、NO2主要源自移動污染源不同,CO源自工業過程及汽車尾氣,是固定和移動污染源的雙重指標物[8]。因此CO濃度的月濃度變化特征與SO2、NO2存在類似點。由圖6可知,月均值呈U型分布,冬季高、夏季低、春秋季大致相當,自11月以后逐步上升,這可能由于11月以后鄭州氣溫開始降低,供暖區域開始增多,燃料燃燒不充分導致的。從時空分布來看,月均值年際變化呈逐年下降趨勢,2018—2020年大氣中CO各月均值均低于2016—2017年。

圖6 2016—2020年CO月平均濃度值Fig.6 Average monthly CO concentration values from 2016 to 2020

對2016—2020年鄭州市O3-8h max各月均值進行統計,結果顯示,月均值呈M型分布,最高值出現在6月,最低值出現在1月,季節變化為夏季>春季>秋季>冬季,由于O3主要是其前體物NOX、CO及VOCS等在合適的紫外照射下經光化學反應生成的二次污染物[9],因此其季節變化受紫外輻射強度的影響。平流層折疊導致O3向對流層滲透也可能是造成鄭州市夏季濃度偏高的原因。7月、8月有所降低,可能與鄭州市7—8月雨水較多,云層較厚有關。而冬季由于光伏射強度較弱不利于光化學反應的發生,使得O3濃度偏低[10]。由圖7可以看出,O3-8h max月均值年際變化差別不大,但2016—2020年總體濃度略有升高,說明O3帶來的污染在加重,因此加強O3污染防控不容忽視。

圖7 2016—2020年O3月平均濃度值Fig.7 Average monthly O3 concentration values from 2016 to 2020

由以上分析可知,鄭州市2016—2020年SO2和CO的污染相對較輕,PM10、PM2.5的污染較嚴重,其次是NO2和O3污染,這可能與《大氣污染防治行動計劃》(國發[2013]37號)的實施有關,加大綜合治理力度,減少多污染物排放、調整優化產業結構,推動產業轉型升級、加快調整能源結構,增加清潔能源供應、嚴格節能環保準入,優化產業空間布局等措施有助于SO2、NO2等污染物的減排。《鄭州市燃煤污染治理工作方案》(鄭政文[2013]80號)等環保政策落實到位,整體來看,環境空氣質量逐年向好。

2.3 特征污染物與氣象因素相關性分析

2.3.1 PM2.5濃度與風速相關性分析

結合河南省氣象探測數據中心提供的2016—2020年數據,進行空氣質量指數(AQI)值、PM10濃度月值與氣象因素相關性分析,結果如表2所示。

表2 月均AQI值、PM10濃度與氣象要素相關系數

AQI值與平均氣溫、平均降雨量顯著性負相關(P<0.01),相關系數分別為-0.456、-0.399,AQI值與平均相對濕度邊緣顯著負相關,相關系數為-0.202(P=0.061)。PM10濃度與平均氣溫、平均相對濕度、平均降雨量顯著性負相關(P<0.01),相關系數分別為-0.753、-0.372、-0.693。可以看出,平均氣溫、平均相對濕度、平均降雨量對AQI與PM10有顯著的抑制作用。地面氣溫越高,大氣層結構穩定性越低,近地面對流越旺盛,越有利于大氣的垂直運動,促使大氣污染物向上輸送。大氣中的相對濕度越大,水汽越多,越有利于污染物的凝聚。降雨對污染物有沖洗作用,尤其對大顆粒物的沖洗更為明顯,可有效降低PM10的濃度。

風速對AQI、PM10濃度影響較小,與AQI呈微弱負相關(|γ|<0.3),與PM10呈弱正相關(|γ|<0.3)。風速對大氣污染的影響主要是稀釋作用,風速大稀釋污染物的能力強,污染物迅速吹到下風向,因此空氣污染指數較低,但是風速大,地面塵土易被刮起,空氣中大顆粒物較多,造成PM10濃度升高。

各氣象因素間存在顯著相關關系,風速與相對濕度、降雨量負相關(P<0.05),相關系數分別為-0.497、-0.280。氣溫與相對濕度、降雨量顯著正相關(P<0.05),相關系數分別為0.293、0.764。相對濕度與降雨量顯著正相關(P<0.01),相關系數為0.618。

2.3.2 PM10濃度與降雨量相關性分析

對2016—2020年AQI、PM10季值與氣象因素進行相關性分析,結果如表3所示。風速在夏季與AQI、PM10濃度呈顯著性正相關(P<0.01),在冬季呈弱的負相關(P=0.094)。相對濕度在冬季與AQI值呈現顯著性正相關(P<0.05)。這主要是由于夏季大氣層結穩定性低,利于污染物的擴散,AQI、PM10的濃度低于其他季節,夏季風速大,地面的揚塵易被擴散到空氣中,揚塵對污染物的貢獻值較為明顯。冬季大氣穩定,相對濕度越低,越不利于污染物的擴散與沉降,而風速對污染物有稀釋作用,冬季受燃煤的影響,AQI、PM10濃度較大,由風引起的揚塵貢獻值相對較低,因此呈弱的負相關。

表3 季度AQI值、PM10濃度與氣象要素相關系數

3 結論

對鄭州市2016—2020年環境空氣質量狀況及變化特征進行分析,探討AQI、PM10濃度與氣象因素的相關性分析,得出以下結論:鄭州市環境空氣質量優良率由2016年的43.4%提高到2020年的63.1%,嚴重污染天數占比由2.2%降到0,總體趨勢向好。實施產業結構調整、煤改氣能源結構調整及節能減排等一系列環保措施后,環境空氣中SO2和CO排放得到了有效控制,但仍呈季節性變化規律。機動車保有量迅速增長,流動源的污染呈逐年上升趨勢,環境空氣中NO2濃度年際變化不明顯。有機污染物的排放量增加導致O3的前體物量增加,O3濃度略有上升趨勢,O3污染不容忽視。環境空氣首要污染物為PM2.5,呈逐年下降趨勢,PM2.5污染主要集中在冬季。氣溫、相對濕度、降雨量與其顯著負相關,風速對大氣污染物的影響較小;而季度尺度下氣象因素與AQI、PM10相關性較低,原因可能是不同尺度對真實值的反映程度不同,尺度越大對真實值的掩蓋越大。